网络摄像机的优缺点

网络摄像机发展历程 IP 网络摄像机诞生于上世纪 90 年代中期 由于那个时期全球 网络以窄带为主 大型宽带网络为主的商业应用很少 而网络带宽 低 限制了视频传输的质量 编码方式落后导致对带宽需求很大 而摄像机集成编码功能的芯片也不是很多 加上本身造价昂贵 因 此市场对此需求很低 直到 20 世纪末期 随着宽带技术和其它相关科技的日新月异 网络开始以人类想像不到的速度发展起来 从 ISDN 到 DSL 及专网 的建设使网络视频成为新兴的行业 在这个大的环境下 快速的网 络普及及编码技术的推新使网络摄像机逐步被市场的有识之士所认 可 于是更多的厂商大胆地投入到这一新兴领域 当时在国内还没 有网络摄像机的制造商 但在国内市场已经出现台湾 日本 韩国 品牌的网络摄像机 由于早期的网络摄像机采用 M JPEG 的非实时压缩方式 但无 论从图像效果 还是配套条件看 市场的需求未成气候 步入 21 世 纪初期后 MPEG 4 的压缩算法应用于网络监控领域 开始了正式 的网络视频产品市场应用宣传与推广 市场逐渐开始接受并适应了 网络视频编码器与模拟摄像机配套应用的方式 之后几年 网络视 频技术已普遍被广大客户认可 并逐步开始大规模应用 这为网络 摄像机的发展奠定了良好的技术基础和应用环境 直到 2004 年后 在网络视频技术日渐成熟和网络视频服务器产品竞争日趋激烈的阶 段 各主要厂商开始将网络视频技术转向网络摄像机 并逐步推出 了各种型号的产品 截至 2008 年底 在全世界从几个厂商快速发 展到成百上千的网络摄像机的生产厂商 编码技术也已经趋向于 H 264 编码方式 由此可见 用网络摄像机可取代传统模拟 CCTV 监控产品 网络摄像机已给监控市场带来全新的冲击 网络摄像机与传统摄像机的异同点 众所周知 传统的模拟黑白摄像机主要由镜头 图像传感器 定时驱动及同步信号产生 视频信号处埋及电源等五大部分组成 如果是彩色 则要增加滤色片与色彩处理部分 而网络摄像机则要 在上述的基础上增加视频和声音编码压缩模块以及网络连接控制模 块及接口等 由于 DSP 芯片性能的提高和完善 而被用于摄像机中进行数字 信号处理 因此 在模拟摄像机中 CCD 传感器所产生的模拟信号 首先将被 A D 模拟 数字 转换器转换为数字信号 这样视频图像 就可以通过其内置的 DSP 芯片进行处理和完善 经过 DSP 处理后 的数字图像信号接着又被重新转化为模拟信号 用于在同轴电缆上 进行传输 最后 当该模拟信号到达后端的 DVR 时 又被 DVR 重 新数字化然后存储到硬盘上 可以看出 在这一过程中 图像信号 要经过三次转化 而每一次转化都会造成图像质量不同程度的下降 但在网络摄像机中 图像经过数字化之后将一直保持数字化的 状态 无需进行多次数 模或模 数转化 从而避免了图像质量下降的 现象发生 当摄像机把图像进行编码压缩后 通过网络利用 TCP IP 协议进行传输 通过网络摄像机或镜头 云台和其它外部设备进行 操作控制 参见图 1 下面 首先要介绍以下几种适用于网络摄像机中的图像压缩编码标 准 M JPEG M JPEG 技术即运动静止图像压缩技术 它把运动的视频序列 作为连续的静止图像来处理 这种压缩技术方式单独完整地压缩每 一帧 在编辑过程中可随机存储每一帧 可进行精确到帧的编辑 但 M JPEG 只对帧内的空间冗余进行压缩 不对帧间的时间冗余进 行压缩 故压缩效率不高 MPEG 4 所谓 MPEG 4 标准就是指由 ISO 的活动图像专家组制定的一系 列关于音视频信号以及多媒体信号的压缩与解压缩技术的标准 MPEG 4 压缩倍数为 450 倍 静态图像可达 800 倍 专为移动通 信设备 例如移动电话 在英特网实时传输音 视频讯号而制定的最 新 MPEG 标准 MPEG 4 和 MPEG 以往的版本相比 最大的不同 之处在于 MPEG 4 使用 图层 layer 方式 能够智能化选择影 像的不同之处 在压缩下个别编辑画面 使图文件容量大幅缩减 而加速音 视频的传输 H 264 H 264 是 ITU T 的 VCEG 和 ISO IEC 的 MPEG 的联合视频组 开发的一个新的数字视频编码标准 它既是 ITU T 的 H 264 又是 ISO IEC 的 MPEG 4 的第十部分 在相同的重建图像质量下 H 264 能够比 H 263 节约 50 左右的码率 比目前根据 MPEG 4 实现的视频格式在性能方面提高 33 左右 由此可见 H 264 在图像压缩方面最节省带宽 网络摄像机优势 高清晰的图像质量 近年来 高分辨率电脑显示器和数字摄像机不断出现 最终用 户也开始要求将图像分辨率提高到百万像素的级别 视频监视应用 的最终用户同样也开始提出类似的要求 现阶段 模拟黑白监控摄 像机高解的是 752 582 能达到的电视线一般最多为 564TVL 而 现在一般的网络摄像机都能到 4CIF 即 704 576 的分辨率 换算 成像素也就 40 多万 但是随着百万像素高清的概念 主流厂商陆续 推出 100 万像素 200 万像素甚至 300 万像素的效果 集成存储卡和音频 网络摄像机不仅拥有模拟摄像机图像采集功能 相比模拟摄像 机加编码器和平台的方式 它的优势本身已经是一个前端处理系统 如 VOIP 报警 232 485 串行设备的接入等等 除此以外 还可以 将移动侦测 视频丢失 存储异常等报警信号通过网络发送给后端 网络摄像机可内嵌存储系统 采用的是 SD 或其他的存储卡 存储 卡可作为网络故障时图像的暂存设备 等网络恢复正常 再将视频 进行上传 可有效地保证视频数据的连续性和完整性 存储卡的另 外一个用处是将重要的报警图像进行本地摄像机存储 同时上传后 端 这样不会因为网络的不可靠传输导致视频数据的缺失 另外 可以集成双向音频功能 即内置 MIC 和扬声器的输出 比如在停车 场监控中 如保安在监控中心发出警告指令使违法人员远离车辆 再如在医院应用 重点病房安装监控保证医生和护士 24 小时了解病 人的状况 那么 病人在病房通过摄像机的 MIC 和扬声器可以实时 和医生进行沟通 现在的应用以单工和半双工为主 支持 PoE 功能 PoE Power Over Ethernet 以太网供电这项创新的技术 是 用一条通过以太网电缆同时传输以太网信号和直流电源 它将电源 和数据集成在同一有线系统当中 在确保现有结构化布线安全的同 时 保证了现有网络的正常运作 PoE 网络摄像机具有以下优点 1 PoE 功能连接 施工上安装简单 只需要布置一根双绞线 不需要敷设电源线 可 以省去昂贵的电源线 省去敷设电源线的工作量 布置点位相对比 较自由 不用考虑电源取电的难题 只要网络线可以到达的地方都 可以安装 减少安装过程中考虑的因素 PoE 供电时不用单独敷设 220V 的电源 减少信号的干扰导致图像 不清晰 衰减大的因素 采用集中供电方式 只需要对交换机进行集中供电 供电的范围比 较集中 容易管理 成本较低 通过 PoE 供电 前端没有强电 系统的安全性好 不会因为电源 问题发生事故 尤其在安全性要求高的场所 优势更加明显 PoE 网络摄像机增加网络防雷模块就可以保证前端设备在雷雨天气的安 全 网络线不超过 100 米 不容易形成感应电势击坏摄像机的电子 元器件 2 支持无线功能 网络摄像机不仅具备 PoE 功能可节省布线的成本和难度 有些 厂家已经在摄像机内部增加无线网卡模块或提供无线网卡的插槽 支持无线功能的摄像机可以接入无线 AP 实现采集前端视频信息到 后端的目的 现在支持无线传输的技术有很多 WIFI MESH WIMAX 等等 现在点对点传输距离可达到几十公里 以上 如图 6 可以满足一些监控的需求 但是要想使无线监控 今后成为主流 还需一段时间 取决于无线网络的发展 3 安全通信 模拟摄像机使用同轴电缆传输视频信息 其中没有任何加密和 认证机制 在这种情况下 只要能够知道视频电缆的位置 任何人 都可以通过搭线的手段来观看其中传输的视频画面 更糟的是 心 怀不轨的人还可以来个移花接木 将某个重要的视频监视信号切换 到其它的信号源 使用户的视频监控系统彻底失效 如同电影中经 常会出现的场景一样 但是对于网络视频系统来讲 网络摄像机 可以对采集到的视频信号首先进行加密 然后再通过网络进行传输 从而可以确保视频信息无法被非数字证书对连接请求进行认证 确 保只有特定的网络摄像机才能够接入系统 从而有效避免了欺诈行 为授权人员获取或者篡改 系统可以通过使用高安全性的 如网络 摄像机还可以在视频数据中加入 水印 信息 水印 信息可包括图像 摘要 时间 地点 日期 用户信息 报警信息等等 从而在安全 事件发生之后可以确保系统保存了有效的证据 4 前端智能化 智能监控系统中的许多技术适合在前端实现 如车牌识别 人 脸检测 行为分析 目标跟踪等 智能分析技术的日益成熟使得智 能技术逐步产品化 同时也逐步走入实用阶段 当前的视频监控系 统中 有太多的视频数据被录制和存储下来 但是这些数据中大多 都是一些无关紧要的画面 重要事件的信息往往被淹没在海量的录 像资料当中 从而给事件的分析和处理工作带来很大的难度 同时 也浪费了宝贵的存储资源 而具有智能的网络摄像机可以解决这样 的困境 基于计算能力上的局限 集中式的视频监控系统无法实现 对大量视频信息的实时分析工作 而网络摄像机拥有专用的 高度 集成化的硬件设备 其自身可实现高级视频分析算法 这一特性大 大降低了对后端设备的性能要求 从而使用户可以构建出超大规模 的智能视频系统 一些高级智能视频分析算法 如车牌号码识别 人数统计等等 也可以集成到网络摄像机当中 通过使用网络摄像 机 可以做到将系统的智能集成到视频监控的前端设备当中 能够 使用户获得一个比传统的 DVR 或其他集中式的系统更加有效和功能 强大的视频监控解决方案 所以网络摄像机将是一个承载智能技术 的理想平台 网络摄像机发展趋势 1 百万像素网络摄像机产品类型增加 现阶段 百万像素网络摄像机以枪机和半球为主 但随着技术 的成熟和用户需求的日益明确化 网络百万摄像机也将会衍生出网 络高清球型摄像机 至于在偏远或不便于搭建网络环境下的网络监 控系统 要想实现高清的效果 将通过无线网络高清摄像机 以解 决终端接入问题 2 算法的改进 网络摄像机的核心技术是其视频编码压缩技术 目前网络摄像 机主要包括通用 DSP 芯片技术和 ASIC 芯片技术两大实现方案 由 于国内用户对带宽和帧率要求比较敏感 要求在低带宽下依然满足 25 帧的传输速率 因此 MPEG 4 算法尤其 H 264 算法在国内大有 市场 H 264 算法的压缩比是 MPEG 2 的 2 3 倍 是 MPEG 4 的 1 5 2 倍 因此在 H 264 算法的优化上各厂家都有很大的提升空间 来满足客户对带宽占用的需求 另外 百万像素摄像机应用 H 264 编码方式是今后发展的方向 但是现在的情况是各家算法不同 压 缩的质量和效果也不同 更重要的是现在支持 1920 1080P 的分辨 率摄像机已经问世 但是同时支持 25ips 的厂家几乎没有 现在能 够做到 720P 25ips 已经不错了 因此这也是今后发展的潮流 3 加入智能算法使之成为智能网络摄像机 因智能化是数字化网络化发展的必然趋势 这样才能做到事前 预警 真正保安全 而网络摄像机将是一个承载智能技术的理想平 台 尤其加入人与物异常等的智能算法软件 将是网络摄像机成为 智能网络摄像机的重要发展方向 4 配合 3G 技术 现在 3G 网络已经在中国逐渐发展开来 3G 服务已经应用在家 用的电脑上网以及 3G 视频通话 但是这种业务今后是否适合于监 控领域还有待验证 现在部分国内厂商已经做出一些 3G 监控的构 思 设想一下 集成 3G 功能的网络摄像机在传输带宽上比传统 GSM 网络有更大优势 这样无线远距离实时监控问题也就迎刃而解 结语 网络视频技术的日益完善并深入人心 网络建设基本完成 平 安城市如火如荼开展 更加说明网络摄像机的潜在市场 2008 年北 京奥运会网络监控项目的成功实施 2010 年上海世博会将会是一个 全新数字化建设舞台 中国这个世界人口最多的国家将营造一个史 无前例的监控市场 而网络摄像机作为第三代网络监控技术的新宠 将走在风口浪尖 尤其智能网络摄像机的市场需求 将会获得长足 的发展 向以太网 IP 摄像头的 PoE 电源设计方法 IP 技术在每一个领域中的应用都在不断增长 安全领域也不例外 随着 IP 越来越成为主流的技术 每一天市场上都有这样的新产品推 出 使用标准的布线以及便宜的现成以太网交换机和路由器 使得 以太网 IP 成为很多新应用的媒介选择 正如其他市场一样 以太网 IP 快速地成为视频监控相机的网络承载选择 以太网 IP 网是很多设备的优选网络 另外一种同样很快地成为他们 市场竞争关键的技术是以太网供电 PoE 在上实际 90 年代推出以 来 PoE 首次的市场成功来自于对红外数据协会 IrDA 网络接口 当 前的无线接入点的前身 进行供电 在接下来的几年时间内 只有部 分的制造商在他们很窄的产品中使用 PoE 因为他们都不愿意再他 们的标准产品中采用专有的电源系统 在 2003 年 6 月份 IEEE 对 PoE 进行了标准化以后 这种状态改变了 市场开始爆发性地使用 PoE 现在 随着 IEEE 增加网络供电设备的可用功率 市场有望 获得急剧增长的新动力 PoE 和即将提出的 IEEE 改进会使得各种 视频监控相机成为可能 IP 安全相机具有各种类型 某种程度上 IP 相机是什么是由制造商来 定义的 某些制造商利用连接到中央 IP 解码器的模拟相机 其它的 在相机内部转换视频信号 相机自身在本地运行 IP 即使在机身内 部实现本地 IP 某些相机设计用于有线以太网 而其它包含无线数 据 与竞争技术相比 有线以太网 IP 具有几个优势 支持有线以太网的 电缆规格是明确的 市场上到处都有 有线连接在数据传输上比无 线更安全 无线传输是在一个很大的半径内广播 犯罪者必须通过 物理上的访问才可能盗取信息流 有线以太网还可